Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3795
Harnack, Oliver
Conversion efficiency and noise porperties of high-temperature superconductive mixers
142 S., 2000
Elektronische Bauelemente mit nichtlinearen Strom-Spannungskennlinien können als Mischer in der Empfangstechnik zur Frequenzkonversion eingesetzt werden. Mischer auf der Basis von Supraleitern zeichnen sich durch hohe Konversionseffizienz und niedriges Rauschen aus. Sie werden vorwiegend in Empfängern für Frequenzen von 100 GHz bis zu einigen THz für die Detektion von sehr schwachen Signalen, z.B. für Anwendungen in der Radioastronomie oder in der Molekülspektroskopie, eingesetzt. Supraleitende Mischer wurden bislang aus Tieftemperatursupraleitern, wie z.B. Niob, hergestellt. Allerdings müssen diese Mischer bis auf Temperaturen um 4 K abgekühlt werden. Im Gegensatz hierzu versprechen Mischer auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) bei deutlich höhere Betriebtemperaturen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Mischern auf der Basis des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-x (YBCO). Der erste Mischertyp basiert auf den Josephson-Effekten, die zwischen zwei schwach miteinander gekoppelten, supraleitenden Elektroden auftreten. Im zweiten Mischertyp werden bolometrische Effekte ausgenutzt. Die Herstellung der Mischer, ihre DC- und HF-Charakterisierung und Modellrechnungen werden beschrieben.
Josephson-Mischer wurden mit Hilfe von Stufen- und Bikristallkontakten auf MgO und Saphirsubstraten hergestellt und bei Frequenzen zwischen 90 GHz und 550 GHz charakterisiert. Die gemessenen Rauschtemperaturen bei 550 GHz waren mit denen von Halbleiter-Schottky-Mischern vergleichbar, wobei lediglich eine um den Faktor 1000 niedrigere Lokaloszillatorleistung notwendig war. Die Rauschdaten der Josephson-Mischer sind allerdings etwa zwei bis viermal höher als theoretisch erwartet.
Der zweite Teil dieser Arbeit ist dem Hot-Electron-Bolometer (HEB)-Mischer gewidmet. In HEB-Mischern fungiert das Elektronengas eines dünnen, supraleitenden Films als Absorber und der supraleitende Phasenübergang als Nichtlinearität. Dieser Mischertyp ist besonders geeignet für die Detektion von Signalen im THz-Frequenzbereich. Zunächst wurden die thermischen Relaxationszeiten in dünnen HTSL-Filmen auf Substraten mit hoher thermischer Leitfähigkeit (MgO, Saphir) bestimmt und im weiteren wurden die Filmdicken-, Frequenz- und Temperaturabhängigkeiten dieser Zeiten gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass keine effektive Diffusion von Phononen zu den Metallelektroden vorliegt, sondern dass das Entweichen von Phononen durch die Film-Substratgrenzfläche dominiert. Zusätzlich konnten bis dahin unbekannte Effekte der Arbeitstemperatur, des Speisestroms und der Arbeitsfrequenz auf die Relaxationszeiten nachgewiesen werden.
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